Af hverju nútíma flísar hitna

Þegar nanótransistorar skipta á gígahertz hraða þjóta rafeindir í gegnum rafrásirnar og missa orku sem hita - sama hitann og þú finnur þegar fartölva eða sími hitnar óþægilega mikið. Að pakka fleiri transistorum á örgjörva skilur eftir minna pláss til að losa sig við þann hita. Í stað þess að dreifast jafnt um sílikon safnast hitinn fyrir í heitum svæðum sem geta verið tugum gráða heitari en nærliggjandi svæði. Til að forðast skemmdir og afköstatap, þrengja kerfin örgjörva og skjákort þegar hitastig hækkar.

Umfang hitauppstreymisáskorunarinnar

Það sem hófst sem kapphlaup um smækkun hefur orðið að baráttu við hita allra rafeindatækni. Í tölvunarfræði heldur afköst áfram að auka orkuþéttleika (einstakir netþjónar geta notað tugi kílóvatta). Í samskiptum krefjast bæði stafrænar og hliðrænar rafrásir meiri smáraafls fyrir sterkari merki og hraðari gögn. Í aflrafeindatækni er betri skilvirkni sífellt takmörkuð af hitaþvingunum.

Önnur aðferð: dreifa hita inni í örgjörvanum

Í stað þess að láta hita safnast saman er efnileg hugmynd aðþynnaþað inni í örgjörvanum sjálfum — eins og að hella bolla af sjóðandi vatni í sundlaug. Ef hiti dreifist nákvæmlega þar sem hann myndast, haldast heitustu tækin kaldari og hefðbundnir kælar (kælir, viftur, vökvalykkjur) virka skilvirkari. Þetta krefstrafmagns einangrandi efni með mikilli varmaleiðnisamþætt aðeins nanómetra frá virkum smárum án þess að raska viðkvæmum eiginleikum þeirra. Óvæntur frambjóðandi passar við þetta:demantur.

Af hverju demantur?

Demantur er meðal bestu varmaleiðara sem vitað er um — nokkrum sinnum sterkari en kopar — og er jafnframt rafmagnseinangrari. Vandamálið er samþætting: hefðbundnar ræktunaraðferðir krefjast hitastigs um eða yfir 900–1000°C, sem myndi skemma háþróaða rafrásir. Nýlegar framfarir sýna að þunntfjölkristallaður demanturHægt er að rækta filmur (aðeins nokkra míkrómetra þykkar) ámiklu lægri hitastighentar fyrir fullunnin tæki.

Kælarar dagsins í dag og takmarkanir þeirra

Almenn kæling beinist að betri kælibúnaði, viftum og tengifletisefnum. Rannsakendur kanna einnig örflæðiskælingu, fasabreytingarefni og jafnvel að dýfa netþjónum í varmaleiðandi, rafeinangrandi vökva. Þetta eru mikilvæg skref, en þau geta verið fyrirferðarmikil, dýr eða illa í samræmi við nýjar tæknilausnir.3D-staflaðörgjörvaarkitektúr, þar sem mörg kísillög hegða sér eins og „skýjakljúfur“. Í slíkum stökkum verður hvert lag að gefa frá sér hita; annars eru heitir punktar fastir inni í þeim.

Hvernig á að rækta tækjavænan demant

Einkristallsdemantur hefur einstaka varmaleiðni (≈2200–2400 W m⁻¹ K⁻¹, um það bil sex sinnum meiri en kopar). Auðveldari fjölkristallaðar filmur geta nálgast þessi gildi þegar þær eru nægilega þykkar — og eru samt betri en kopar jafnvel þótt þær séu þynnri. Hefðbundin efnafræðileg gufuútfelling hvarfar metan og vetni við hátt hitastig og myndar lóðréttar demantsnanósúlur sem síðar sameinast í filmu; þá er lagið þykkt, stressað og viðkvæmt fyrir sprungum.
Vaxandi við lægri hitastig krefst annarrar uppskriftar. Að lækka einfaldlega hitann gefur leiðandi sót frekar en einangrandi demant.súrefnietsar stöðugt kolefni sem ekki er demant, sem gerir kleiftstórkorna fjölkristallaður demantur við ~400 °C, hitastig sem er samhæft háþróaðri samþættri hringrás. Jafn mikilvægt er að ferlið getur ekki aðeins húðað lárétta fleti heldur einnighliðarveggir, sem skiptir máli fyrir tæki sem eru í eðli sínu þrívíddar.

Varmamörk viðnám (TBR): flöskuhálsinn á fonóninu

Hiti í föstum efnum berst meðfonónar(kvantifiseruð grindarsveiflur). Á efnisviðmótum geta fonón endurkastast og hrannast upp, sem skaparhitamótstöðu (TBR)sem hindrar varmaflæði. Tengiviðmótsverkfræði leitast við að lækka heildarhitastig (TBR) en valmöguleikar eru takmarkaðir af samhæfni hálfleiðara. Á ákveðnum viðmótum getur blöndun myndað þunnt lag.kísillkarbíð (SiC)lag sem passar betur við fonónróf á báðum hliðum, virkar sem „brú“ og dregur úr heildarhitastigi (TBR) — og bætir þannig varmaflutning frá tækjum í demant.

Prófunarsvæði: GaN HEMT (útvarpsbylgjutransistorar)

Rafeindaflutningstransistorar (HEMT) byggja á stjórnstraumi gallíumnítríðs í tvívíðu rafeindagasi og eru vel metnir fyrir hátíðni og mikla afköst (þar á meðal X-band ≈8–12 GHz og W-band ≈75–110 GHz). Þar sem hiti myndast mjög nálægt yfirborðinu eru þeir frábær mælitæki fyrir hvaða hitadreifandi lag sem er á staðnum. Þegar þunnur demantur umlykur tækið - þar á meðal hliðarveggi - hefur sést að rásarhitastig lækkar um ...~70°C, með verulegum framförum í hitauppstreymi við mikla afköst.

Demantur í CMOS og 3D stafla

Í háþróaðri tölvunarfræði,3D staflaneykur samþættingarþéttleika og afköst en skapar innri hitaflöskuhálsa þar sem hefðbundnir, ytri kælir eru síst árangursríkir. Samþætting demants við sílikon getur aftur skapað gagnlegan árangur.SiC millilag, sem gefur hágæða hitaviðmót.
Ein tillögð arkitektúr er ahitastillirnanómetraþunnar demantsplötur sem eru innfelldar fyrir ofan smára innan rafskautsins, tengdar meðlóðréttar hitaleiðir („hitasúlur“)úr kopar eða viðbótardemanti. Þessir súlur flytja hita milli laga þar til hann nær ytri kæli. Hermir með raunverulegum vinnuálagi sýna að slíkar mannvirki geta lækkað hámarkshita umupp í stærðargráðuí sönnunargögnum (e. proof-of-thought stacks).

Það sem er enn erfitt

Helstu áskoranir eru meðal annars að búa til yfirborð demantsinsatómlega flattfyrir óaðfinnanlega samþættingu við yfirliggjandi tengingar og rafskaut, og fínpússunarferli þannig að þunnar filmur viðhaldi framúrskarandi varmaleiðni án þess að leggja álagi á undirliggjandi rafrásir.

Horfur

Ef þessar aðferðir halda áfram að þroskast,hitadreifing demants í flísgæti slakað verulega á hitamörkum í CMOS, RF og aflrafeindatækni — sem gerir kleift að auka afköst, vera áreiðanlegri og vera þéttari í þrívídd án venjulegra hitaálags.